Proteus仿真軟件在《電工基礎(chǔ)》教學(xué)中的應(yīng)用

劉春龍

Proteus軟件是由英國Lab Center Electronics公司開發(fā)的EDA軟件，我們可以在其主頁上免費(fèi)下載試用版。Proteus包括原理圖編輯（SCH）、印制電路板（PCB）布線、電路虛擬仿真（VSM）等功能，而我們這里主要使用其虛擬仿真功能，其他功能可與PROTEL99結(jié)合進(jìn)行學(xué)習(xí)。與其他仿真軟件相比較（如Mutisim2001、PROTEL）Proteus的優(yōu)點(diǎn)更突出。

一、借助Proteus仿真，創(chuàng)設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境

《電工基礎(chǔ)》課程中的概念多、分析計(jì)算多，較多的理論講授和數(shù)學(xué)推導(dǎo)很難引起學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣。Proteus中具有常見的電路元器件及儀表，如交直流信號(hào)發(fā)生器、交流電壓表、交流電流表、直流電壓表、直流電流表、示波器等，這些電路元器件完全可以滿足《電工基礎(chǔ)》課程仿真實(shí)驗(yàn)的需要。將Proteus應(yīng)用于《電工基礎(chǔ)》課程中，可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)電路的感性認(rèn)識(shí)，加深學(xué)生對(duì)電路基本定理的理解，學(xué)會(huì)電路分析的基本方法，使枯燥無味的理論教學(xué)變得直觀生動(dòng)。

例如，一階動(dòng)態(tài)電路的分析是《電工基礎(chǔ)》課程中的一個(gè)難點(diǎn)，理論的推導(dǎo)枯燥且不直觀。在分析電路之前，通過Proteus仿真演示可以顯示一階電路的充、放電響應(yīng)過程，使學(xué)生獲得直觀的了解。在Proteus仿真環(huán)境中繪制一階RC電路圖，開關(guān)處于閉合狀態(tài)和斷開狀態(tài)。

電容的充放電現(xiàn)象的理解。在仿真時(shí)，我們可以見到電容兩端“+”和“-”不斷增加和減少，表示電荷的增加或減少，同時(shí)負(fù)載兩端并聯(lián)一個(gè)電壓表的計(jì)數(shù)也不斷增大或減小，這表明電容C正在充電或放電。

在《電工基礎(chǔ)》教學(xué)中采用Proteus仿真軟件，創(chuàng)造了虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件，讓學(xué)生在仿真中獲得理論知識(shí)，在虛擬實(shí)驗(yàn)中提高動(dòng)手能力。

下面以幾個(gè)具體實(shí)例來說明一下如何借助Proteus仿真軟件進(jìn)行電工基礎(chǔ)的演示教學(xué)。

二、直流電路的PROTEUS仿真——基爾霍夫定律

《電工基礎(chǔ)》課程在介紹了電路的基本概念和基本定律后，重點(diǎn)介紹了直流電路的分析方法。學(xué)生在初中物理學(xué)習(xí)過簡單的直流電路，先讓學(xué)生熟悉Proteus仿真軟件，然后讓學(xué)生在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行畫Proteus原理圖以及動(dòng)畫仿真。

基爾霍夫電流定律（KCL）：在電路中，對(duì)任意節(jié)點(diǎn)或閉合面來說，流入節(jié)點(diǎn)或閉合面的電流恒等于流出節(jié)點(diǎn)或閉合面的電流。

基爾霍夫電壓定律（KVL）：在任意瞬間，在任意閉合回路中，沿任意環(huán)形方向（順時(shí)針或逆時(shí)針）回路中各段電壓的代數(shù)和恒等于0。

基爾霍夫電壓和電流定律實(shí)訓(xùn)電路如圖（省略）。

基爾霍夫電流定律（KCL）：

由仿真電路圖的仿真結(jié)果可知，I2=1.45mA、I1=0.14mA、I3=1.32mA

I2=I1+I3=0.14mA+1.32mA=1.45mA

基爾霍夫電壓定律（KVL）：

由仿真電路圖的仿真結(jié)果可知，E1=4.5V、E2=7V、UR1=0.14V、UR2=4.36V、UR3=2.64V

E1=UR1+UR2=0.14V+4.36V=4.5V

E2=UR2+UR3=4.36V+2.64V=7V

顯然，運(yùn)用Proteus軟件可以非常容易計(jì)算電路在任一支路的電流，以及任一點(diǎn)的電位，只要我們?cè)谙嚓P(guān)的地方放置電流探針和電壓探針即可。由此可見，Proteus軟件可以幫助我們深刻認(rèn)識(shí)電路工作過程，消除學(xué)習(xí)上的模糊感覺，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。但我們并不希望直接告訴學(xué)生一個(gè)答案，而是讓Proteus作為一個(gè)學(xué)習(xí)的輔助工具，學(xué)生知道電流、電壓的計(jì)算方法還是非常必要的。

三、三相電路的PROTEUS仿真分析

三相電路是指三相電源和三相負(fù)載構(gòu)成的電路，包括對(duì)稱三相電路和不對(duì)稱三相電路。選擇三相電源（50Hz，220V）、電阻等創(chuàng)建對(duì)稱三相電路（Y-Y接法）。

負(fù)載端電壓測(cè)量：用模擬分析圖表進(jìn)行測(cè)量，波形如圖（省略）。

三相電路的功率測(cè)量：若為對(duì)稱三相電路，則其功率測(cè)量較簡單，只要測(cè)出一相負(fù)載功率，就很容易得到三相負(fù)載的功率。若為不對(duì)稱三相電路，則需分別測(cè)量三相負(fù)載的功率。本文以不對(duì)稱三相電路為例，說明三相電路的功率測(cè)量方法。

創(chuàng)建不對(duì)稱三相電路，如圖6所示。線路阻抗為500Ω，三相負(fù)載分別為1kΩ、2kΩ、5kΩ。選用交流電壓表分別測(cè)量負(fù)載R2、R4、R6的兩端電壓，測(cè)量結(jié)果為有效值。負(fù)載R2兩端電壓的有效值為142V；同理，R4兩端電壓的有效值為171V，R6兩端電壓的有效值為200V。經(jīng)換算得到，負(fù)載R2吸收的有功功率為20.16W，負(fù)載R4吸收的有功功率為14.62W，負(fù)載R6吸收的有功功率為8W，則三相負(fù)載吸收的功率為42.78W。

說明：因Proteus仿真軟件未提供瓦特表，故可用電壓表測(cè)量負(fù)載電壓（或用電流表測(cè)量負(fù)載電流），再換算為功率。

上述以電工基礎(chǔ)中典型的定律、定理和電路為例，并選擇合適的仿真分析方法進(jìn)行仿真，有一定的代表性并起到拋磚引玉的作用，力求使讀者受到啟發(fā)。

責(zé)任編輯 潘孟良